TÍTULO DEL TRABAJO: PERSIANA CON CELDAS SOLARES

CLAVE DE REGISTRO: CIN2016A20079

ESCUELA DE PROCEDENCIA: 6779 COLEGIO INDOAMERICANO, S.C.

AUTOR: SANDRA AMÉRICA GONZÁLEZ SERRALDE

ASESOR: CARLA KERLEGAND BAÑALES

ÁREA DE CONOCIMIENTO: CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y DE LAS INGENIERÍAS

DISCIPLINA: FÍSICA

TIPO DE INVESTIGACIÓN: DESARROLLO TECNOLÓGICO

LUGAR Y FECHA: TLALNEPANTLA, ESTADO DE MÉXICO,

19 DE FEBRERO DE 2016

RESUMEN

A través de la integración de celdas solares a objetos simples presentes en

nuestras casas u oficinas, y mediante la aplicación de nuevas tecnologías, se

busca cubrir necesidades básicas de nuestra cotidianeidad mediante la producción

de energía eléctrica limpia y barata que, en este caso, se dedicaría a la recarga de

dispositivos electrónicos a través de un cable USB.

Para lo anterior, se integraron celdas solares a una persiana de aluminio que

puede instalarse en cualquier casa, con lo cual se consigue cargar una batería que

a su vez alimenta un panel de luces led, un motor eléctrico que permite abrir y

cerrar la persiana mediante comandos de un control remoto, y a través de una

conexión USB, permite cargar dispositivos electrónicos.

ABSTRACT Through the integration of solar cells to simple objects in our homes or offices, and

through the application of new technologies, we seek to attend basic needs of our

daily lives by producing cheap, clean electricity, in this case, devoted to recharge

electronic devices through a USB cable.

To achieve this, solar cells were integrated into an aluminum blind that can be

installed in any house, with this, we can charge a battery which in turn powers

some LED lights, an electric motor to open and close the blinds trough a remote

control, and through a USB connection allows you to charge electronic devices.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, los dispositivos electrónicos personales son, más allá de un lujo

o de un símbolo de status, un acompañante necesario en cualquier faceta de la

vida. Las necesidades de permanecer comunicados a través de voz o datos ya

sea en el hogar, el trabajo, la escuela o hasta durante la transportación, hacen

necesario encontrar la manera de mantener cargados esos dispositivos, o en su

caso, facilitar su recarga a través de varios medios.

Se han creado nuevos instrumentos como baterías de reserva, o conectar los

dispositivos a otros elementos como computadoras; pero en ambos casos, ello

conlleva conectarlos previamente a la corriente eléctrica.

Se han desarrollado estudios, preferentemente en Europa, que demuestran que el

costo anual de cargar un teléfono celular no es representativo dentro del gasto

total de energía eléctrica, como se muestra a continuación:

Acción Consumo

(W) Consumo anual

(kWh)

Consumo anual

(0.13 €/kWh)

Cargar el móvil 5 W 3.65 kWh

(2 horas al día) 0.60 euros

Cargador enchufado con el

móvil cargado <0.5 W*

0.438 kWh

(6 horas al día) 0.07 euros

Cargador enchufado sin el

móvil <0.2 W**

1.168 kWh

(16 horas al día) 0.19 euros

TOTAL - 5.26 kWh 0.86 euros

Si bien dicho gasto unitario no es representativo, el número de aparatos de este

tipo por familia está creciendo a nivel global de manera exponencial, siendo

muchos los casos donde varios miembros de cada familia tienen dos o tres

dispositivos, todos los cuales requieren cargarse. En ese sentido, en el año 2009,

los 10 países con más celulares conforme a su población, contaban con 158.2

teléfonos por cada 100 habitantes en promedio, como se demuestra en el

siguiente cuadro:

# País/Región Suscriptores

(miles)

Celulares por cada 100 habitantes

1 Estonia 2,524 188.20 2 Bahrein 1,400 180.51 3 Macao, China 932.6 177.24 4 Hong Kong, China 11,374 162.90 5 Lituania 5,022 151.24 6 Italia 88,580 148.61 7 Luxemburgo 707 147.11 8 Arabia Saudita 36,150 143.45 9 Maldivia 435 142.82 10 Bulgaria 10,633 140.05 México 75,303 69.37 Mundo 4,016,062 41.00

Con la información antes expuesta, es evidente que, aunque no se considere

representativo, el gasto, tanto en energía como en dinero, se va incrementando

año con año, por lo que surge la necesidad de buscar métodos alternativos de

recarga de estos dispositivos, sobre todo aquellos que se refieran a energías

limpias y renovables.

En ese sentido, y para el problema que nos ocupa, la energía fotovoltaica se

convierte en una solución muy favorable, toda vez que es inofensiva para el medio

ambiente ya que no utiliza ningún tipo de químico, ni emana gases algunos a la

atmósfera, pero además es básicamente gratuita una vez que se adquieren los

paneles y demás elementos.

La energía fotovoltaica se genera a través de paneles que se componen por

celdas o células fotovoltaicas. Estas células, compuestas por dos láminas

delgadas que trabajan como semi conductores, tienen la capacidad de absorber la

luz del sol y generar así electricidad. Las láminas que permiten que se pueda

generar energía fotovoltaica son hechas generalmente de un material metálico:

silicio o arseniuro de galio. Entre medio de estas láminas que están cargadas

positiva y negativamente cada una, se genera un campo eléctrico por la acción de

los electrones que envía la luz del sol. Ese campo eléctrico es derivado a un

regulador encargado de ajustar el flujo de energía a una o más baterías donde se

almacenará la energía para poder abastecer de energía eléctrica a nuestros

requerimientos.

En este trabajo, buscamos adaptar un grupo de celdas solares a un elemento

normal de una casa, que permita almacenar energía para luego cargar dispositivos

como celulares o reproductores de música, de una manera fácil y económica.

OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS

OBJETIVO GENERAL: A través de la producción de energía limpia procedente de recursos renovables, lograr que objetos presentes en nuestra cotidianeidad, puedan utilizarse para sustituir el gasto de energía eléctrica proveniente de otras fuentes contaminantes.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Aplicar a una persiana comercial que pueda instalarse en cualquier ventana,

celdas solares que permitan captar la energía solar y almacenarla en una batería,

que luego permitiría recargar diversos dispositivos de uso cotidiano, tanto en el

hogar como en la oficina, a través de un conector USB.

Incorporar a la persiana, dependiendo de la capacidad de las celdas y de la propia

batería, un elemento de luces led que, a través de sensores, se enciendan o

apaguen automáticamente dependiendo de la presencia o ausencia de luz.

Automatizar, nuevamente conforme a la capacidad de celdas y batería, el proceso

de apertura y cierre de la persiana, mediante el uso de un control remoto

inalámbrico.

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

La energía fotovoltaica no es un elemento nuevo. Desde mediados del siglo XIX,

con los trabajos del físico francés Edmund Bequerel, hasta los trabajos que le

valieron el premio Nobel de Física a Albert EinsteIn, diversos teóricos demostraron

la naturaleza energética de la luz y el efecto fotoeléctrico en el cual está basada la

energía fotovoltaica; sin embargo, pese a los avances teóricos, no es sino hasta

mediados del siglo XX cuando se desarrollan experimentos científicos en los

Laboratorios Bell en Estados Unidos, encaminados a la construcción del primer

módulo fotovoltaico, con un coste demasiado elevado para su utilización a gran

escala.

A partir de ese momento, los avances científicos y tecnológicos, sumados al

interés de encontrar fuentes de energía alternativas al consumo de los

combustibles fósiles, han permitido una dramática disminución del costo de

producción de estas celdas, y por consiguiente, el incremento en su uso de

manera particular y comercial. Considerando que, según estimaciones, la energía

solar recibida en un año en todo el planeta sería capaz de producir unas 4 mil

veces el requerimiento total de energía de todo el mundo, fortalecer su uso sólo

tendría consecuencias favorables a futuro.

Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en

electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente

mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química.

La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el

cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce

una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz

de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir

energía útil.

En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón,

creando al pasar un «hueco». Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un

hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, pues, se

disipa.

El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a

avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse

en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las

dos partes del material, como ocurre en una pila. Para ello, se crea un campo

eléctrico permanente, a través de una unión pn, entre dos capas dopadas

respectivamente, p y n:

Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio

tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos

en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las

cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del

dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de

tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas

opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden

recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la

barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un circuito se puede

producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones

libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros

positivos.

Una vez obtenida la energía necesaria, la misma es almacenada en una batería, la

cual a su vez irá otorgándola a los diversos aspectos señalados en el apartado de

objetivos.

METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN

1. En primera instancia, se buscó determinar un elemento que pudiera estar

presente en la mayoría de los hogares u oficinas, al cual se pudieran

incorporar los elementos necesarios para la generación de energía y para

cumplir con los fines planteados. Luego de dicha revisión, se concluyó que,

dado que la generalidad de construcciones tienen ventanas, sería

adecuado incorporar las celdas al marco de las ventanas; sin embargo,

para el presente proyecto, se decidió poner las celdas en el cuerpo de una

persiana, para verificar su funcionamiento y la facilidad de su operación.

2. Una vez determinado ese elemento, se procedió a revisar los diversos

tamaños y tipos de celdas solares, para buscar las más adecuadas para

este proyecto, proponiendo el uso de 3 celdas fotovoltaicas de 4.5 v cada

una, a efecto de poder conectarlas a una batería de 12 volts y cargarla

adecuadamente.

3. Ya teniendo la parte energética del proyecto, se buscó el mejor uso para

dicha energía, y se propuso la recarga de dispositivos electrónicos

personales como teléfonos celulares o reproductores personales de música,

para lo cual se conectó a la batería un Jack USB que permitiera la recarga

señalada.

4. De la misma manera, se vio que la energía era suficiente para permitir el

encendido de luces led cuando hay oscuridad, para lo cual se incorporó al

sistema una fotoresistencia.

5. Finalmente, para efectos prácticos de la propia persiana, se consideró

dotarla de un motor que permite su apertura y su cierre, el cual también

está conectado a la batería cargada por energía solar, y el cual funciona

con un control remoto inalámbrico.

RESULTADOS OBTENIDOS

En el proyecto, se montó una persiana metálica de aluminio en un marco de

madera hecho exprofeso, para validar el funcionamiento de todo el esquema. En

una de las persianas metálicas se montaron las 3 celdas fotovoltaicas y se

conectaron a la batería, y a ésta última fueron conectados:

Un conector USB para recarga de aparatos electrónicos personales;

Un panel de luces led cuyo encendido está determinado por una

fotoresistencia;

Un motor eléctrico que permite la apertura o el cierre horizontal de la

persiana, mediante la utilización de un control remoto inalámbrico.

Una vez culminado el armado del proyecto, se comprobó lo siguiente:

1. Una carga de alrededor de entre 4 a 6 horas de luz solar, permite a la

batería quedar cargada;

2. Al conectar un aparato telefónico tipo Android a través del conector USB, en

el modo de “solo carga”, inicia la carga de energía en el dispositivo de la

misma manera que si estuviera conectado vía USB a una computadora,

aunque de manera más lenta que si se conectara a la corriente eléctrica de

la casa;

3. Las luces led, responden a la cantidad de luminosidad en el ambiente,

conforme a la fotoresistencia, entregando una iluminación correspondiente

a su nivel (12 v); sin embargo, a efecto de no desperdiciar la energía de la

batería, se le incorporó al proyecto un intensificador de luminosidad, que

permite controlar el nivel de luminosidad del módulo led.

4. Por la forma en que se incorporaron las celdas fotovoltaicas a la persiana,

el motor que se utilizó únicamente abre y cierra dicha persiana de manera

horizontal, mediante los comandos que se le dictan al motor desde un

control remoto inalámbrico, el cual opera a baterías. Para ser consecuentes

con el sentido ecológico del proyecto, las pilas del control remoto fueron

sustituidas por baterías recargables; dentro del funcionamiento de esta

función, se vio que la persiana no tiene un tope, por lo cual hay que ser

cuidadosos con la aplicación de energía en el motor descrito.

5. El gasto total en el proyecto estuvo en el orden de los 2 mil pesos como

inversión inicial, de los cuales la parte eléctrica representó

aproximadamente el 50%. Su uso no implica gastos posteriores, toda vez

que se utiliza la energía solar, la cual no tiene ningún costo; si acaso, de

manera indirecta, pudiera requerirse el gasto posterior en las pilas

recargables del control remoto.

CONCLUSIONES

Conforme al objetivo inicial de este proyecto, se logró incorporar a elementos que

están presentes en la mayoría de los hogares, un mecanismo que permitiera el

uso eficiente de energía renovable para satisfacer una necesidad de nuestra

cotidianeidad a la cual, si bien no le damos mucha importancia, poco a poco se

convierte en una pequeña fuga dentro del consumo energético de cada familia, y

también de manera global.

Pese a lo anterior, la investigación y la realización de este proyecto, también nos

brindó una visión del alto costo que aún tienen diversos componentes para el

aprovechamiento de la energía solar. Por lo anterior, se entiende que sea

complicado que la mayoría de los hogares vaya cambiando de los medios en que

actualmente recibe su energía, hacia las energías renovables y amigables con el

medio ambiente.

Si bien el tiempo necesario para igualar el costo/beneficio del desarrollo de este

proyecto es largo, también es importante destacar que mientras más soluciones se

brinden a problemas simples como el expuesto en este proyecto, es decir, la carga

o recarga de dispositivos electrónicos pequeños, poco a poco se irán dando las

condiciones para, por un lado, abaratar estos componentes, y por el otro,

generalizar su uso en muchos aspectos de la vida en general.

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